基于机载LiDAR 技术的泥石流物源侵蚀量定量评价研究

赵 聪，铁永波，梁京涛*

（1.四川省地质调查院 稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室，四川 成都 610081；2.中国地质调查局成都地质调查中心（西南地质科技创新中心），四川 成都 610218 ）

0 引言

泥石流是一种能在短时间内冲出大量固体松散物质的特殊洪流，以其突发性、强致灾性、周期复发性等特征，严重威胁着山区人民的生命财产安全（Alexander，1989；刘希林和莫多闻，2001）。物源作为泥石流形成的三大基本条件之一，对泥石流的规模、频率以及致灾程度等起着决定性的控制作用（潘聪，2015）。因此，众多国内外学者对泥石流物源展开了大量研究工作，例如泥石流物源的界定（Varnes，1978；徐弘，1995；杨顺，2014）、采用现场调查法（周必凡等，1991；张佳佳，2018）和遥感解译法（Tang et al，2011；常鸣等，2014）的物源储量评估以及物源动储量估算（蒋忠信，1994；谢谟文等，2011；方群生等，2016；张友谊等，2020）等方面取得了较为丰硕的成果。

机载激光雷达（LiDAR）是一种利用激光获取目标地表高精度三维坐标的新型遥感技术手段（Axelsson，1999），由于该技术具有“穿透植被”、获取真实地形地貌信息的优势，可作为一种新的技术手段应用于高植被覆盖山区地质灾害隐患识别与调查研究领域。早在本世纪初期，Chigira 等（2004）便首次利用机载LiDAR 技术识别了日本福岛某区域浅层滑坡；此后，国外研究学者相继在巴布亚新几内亚利希尔（Hanberg et al，2005）、美国爱达荷州（Glenn et al，2006）以及华盛顿州（Schulz，2007）等地区成功利用机载LiDAR 技术识别了区内滑坡以及变形破坏特征；机载LiDAR 技术在国内起步相对较晚，近年来，随着我国国民经济的不断发展，国内学者也相继在长江三峡库区、九寨沟等地区开展了基于机载LiDAR 技术的地质灾害隐患调查研究工作（李显巨，2012；刘圣伟等，2012；佘金星等，2018；董秀军等，2020；王绚等，2020），通过提取微地貌地形信息，实现滑坡等灾害体的识别圈定，取得了较为理想的应用效果。

目前泥石流物源侵蚀堆积以及动储量估算研究多是在现场调查以及遥感解译等手段的基础上，采用经验公式对某一片区的泥石流物源储量以及侵蚀动态变化情况进行评估，具体应用于单一泥石流，评估结果存在一定偏差。本文以西昌市邛海水厂后山冲沟泥石流为例，将机载LiDAR 技术应用于泥石流物源侵蚀量定量评价研究，充分发挥机载LiDAR 技术在获取高精度地形参数方面的优势，识别流域内过火区分布、物源分布、物源侵蚀堆积变化等特征，估算物源侵蚀量并评估该泥石流发展趋势，可为泥石流物源动态演变和定量研究提供科学参考。

1 区域概况

邛海水厂后山冲沟位于泸山景区南侧，沟口地理坐标为（27°49'25.03″ N，102°16'40.94″ E）。该区地处世界闻名的攀西大裂谷中，地质构造复杂，出露地层主要为白垩系钙质粉砂岩、泥灰岩，侏罗系长石石英砂岩、泥岩。该地区属于亚热带西南季风气候，多年平均降雨1 013.5 mm，降雨集中于6～9 月，占全年的76%，雨型多为暴雨。该沟流域形态呈细长形，支沟较为发育，流域整体面积约0.71 km2，主沟长度1 810 m，相对高差688 m，主沟纵比降为380‰。

2020 年3 月30 日，四川省凉山彝族自治州西昌市经久乡发生大规模森林火灾，火势沿泸山景区蔓延，大火致使整个泸山景区原有的茂密植被受损严重。邛海水厂后山冲沟流域内也分布大面积过火区域，地表大片裸露，坡表堆积了大量灰烬，加之该沟主沟道纵比降较大，在2020 年7 月至9 月间，暴雨多次导致了小规模泥石流的发生，严重威胁邛海西岸人民群众的生命财产安全（图1）。

图1 研究区无人机光学影像（2020 年6 月）Fig.1 Optical image of UAV in study area (June 2020)

2 高精度数字高程模型的构建

2.1 机载LiDAR 数据获取

受“3.30”森林火灾的影响，邛海水厂后山冲沟在雨季（6 月～9 月）曾暴发多次小规模火后泥石流，为借助机载LiDAR 技术手段对该沟泥石流物源侵蚀堆积估算模型展开系统研究，研究人员分别于2020 年6 月和10 月开展了两次机载LiDAR 飞行作业。获取雨季前后该沟的无人机光学航空影像以及激光点云数据，并基于此建立高精度DEM模型，用于解译识别区内各物源类型的分布面积以及发育程度，将泥石流暴发前后两期次DEM 模型数据叠加分析该沟流域的形态参数，对物源侵蚀量进行定量研究，从而评价分析该沟泥石流现状及发展趋势。

为了确保两期次DEM 模型叠加分析成果的准确性，两次机载LiDAR 飞行作业采用的无人机、机载LiDAR 系统、飞行航线、GPS 基站、现场控制点位置选取等均保持一致。其中采用的无人机及机载LiDAR 系统为六旋翼无人机搭配SE-J500C型机载LiDAR 系统，飞行速度为8 m/s，飞行高度为500 m。获取的光学影像分辨率为0.1 m，原始激光点云平均密度不低于70 点/平方米。

此外，为保证机载LiDAR 点云数据精度能够满足后续分析要求，两次无人机作业时均在相同位置布设了三处检查点用于精度评估，具体位置如图1 所示。表1 为两次无人机作业检查点误差统计表，结果表明，两次作业的机载LiDAR 点云平面精度和高程精度最大误差均处于0.1 m 以内。

表1 两次无人机作业检查点误差统计表Table 1 Error statistics of checkpoints during two UAV operations

2.2 机载LiDAR 数据精细化处理

数据处理采用TerraSolid 软件，经航带平差、数据去噪、滤波等一系列操作后，为去除斜坡表部植被、输电线路、火烧后残存树干等影响，将激光点云数据初始分类为地面点点云以及非地面点点云。

斜坡微小地貌信息的精度将直接决定地质灾害评价的准确度（佘金星等，2018）。因此，为尽可能保留流域内物源侵蚀、堆积等微地貌变化特征，还需结合初始点云高程晕染图和DOM 影像，利用局部点云分类参数调整以及手动分类等措施，着重对主沟道及两侧斜坡区域进行精细化处理，并基于此构建了泥石流暴发前后分辨率优于0.2 m 的高精度DSM 和DEM 模型（图2）。依据植被剔除之后的DEM 模型（图2b 和图2d），邛海水厂后山冲沟流域整体长条形边界形态、主沟道两侧支沟发育、主沟道下切侵蚀较为严重、主沟道纵比降大、整体陡峭、局部崩滑物源堆积等原先被地表植被所遮蔽的微地貌特征得以显现。

图2 邛海水厂后山冲沟两期次DSM 与DEMFig.2 DSM and DEM for two periods of Houshan gully of Qionghai water plant

3 物源侵蚀估算模型及泥石流发展趋势分析

3.1 过火区面积及泥石流物源分布解译

在第一次机载LiDAR 飞行所获取的光学影像基础上，可依据植被受损情况对该沟流域内过火区与非过火区分布状况进行详细解译，过火区影像色调呈土黄色，区内植被极其稀疏，斜坡表部可见多处松散堆积物分布，非过火区影像色调呈深绿色，区内植被茂密，未见明显松散堆积物分布（图1）。图3 为邛海水厂后山冲沟过火区分布解译图，区内过火区面积较大，主要分布于流域中下游；仅流域中上部的公路内侧局部斜坡以及中下游主沟道两侧斜坡植被保持良好，为非过火区。该沟流域整体面积为0.71 km2，过火区面积为0.46 km2，非过火区面积为0.25 km2，过火区占流域总面积达65%（图4）。

图3 过火区分布解译图Fig.3 Interpretation map of fire area distribution

图4 过火区分布野外验证照片Fig.4 Field verification photo of fire area distribution

图5 为基于光学影像以及高精度DEM 模型的邛海水厂后山冲沟泥石流物源分布及分区解译图。该沟流域内主要分布崩滑堆积物源、沟道堆积物源以及灰烬和表层松散堆积物构成的坡面堆积物源，其中流域内分布三处崩滑堆积物源，主要沿主沟道中游两侧斜坡分布；沟道堆积物源主要分布于流域中下游主沟道内；由于坡面堆积物源于该沟流域内广泛且散状分布，具体分布位置及面积无法通过常规遥感手段解译识别。下文将详细阐述通过两期次DEM 叠加分析，坡面物源等各类型物源的分布情况，以及侵蚀堆积变化情况。

图5 泥石流物源分布及分区解译图Fig.5 Interpretation map of debris flow zoning and provenance distribution

根据该沟整体流域形态以及物源分布情况，可将该沟泥石流划分为形成区、流通区以及堆积区，流域中上游大部分区域为该泥石流的形成区，形成区内广泛分布的坡面堆积物源以及部分崩滑堆积物源为该沟泥石流主要贡献物源类型；流域中下游主沟道区域为该泥石流的流通区，大量泥石流物质经此通道于沟口堆积，沟口拦挡坝内侧区域即为该泥石流堆积区。

3.2 物源侵蚀估算模型及分析

为发挥机载LiDAR 建立的高精度DEM 在获取分析泥石流流域参数、物源发育分布特征等方面的潜力，可将雨季前后两期次高精度DEM 叠加差分，从而分析该沟流域内泥石流物源方量侵蚀堆积变化。

为尽量避免两期次DEM 的非地形高程变化导致的叠加分析误差，采用“不动剖面法”（冯增文，2015），选取DEM 未发生变化的区域，以雨季前的DEM 为基准，将雨季后所获取的DEM 与其匹配，以保证两期DEM 数据匹配后的精度。

通过雨季前后两期次DEM 叠加差分分析，便可获得该沟流域内泥石流物源方量侵蚀堆积变化解译图（图6）。该图中差分结果为正值，即红色区域，表明该区域为物源堆积；差分结果为负值，即蓝色区域，表明该区域为物源侵蚀；灰色区域为无明显变化区；流域内物源侵蚀变化区域分布具有区域广、数量多、散状发育的特点。

图6 泥石流物源侵蚀堆积变化图Fig.6 Variation chart of erosion and accumulation of debris flow provenance

如图6 所示，邛海水厂后山冲沟在雨季泥石流暴发前后区内地形整体变化不大，大部分区域地形未见明显变化，经计算，流域内物源方量减少量为12 209 m3，物源侵蚀区分布面积远大于物源堆积区分布面积。该沟物源侵蚀区主要集中分布于流域中下游主沟道两侧斜坡以及流域上游右侧斜坡，由前文可知，两期次DEM 差分分析物源侵蚀区即可有效识别散状发育的坡面物源具体分布位置，该沟流域内物源侵蚀区除局部地区为崩滑堆积物源、沟道堆积物源分布，其余绝大部分区域均为坡面堆积物源分布。此外，该沟沟口处可见物源堆积区集中分布，该处物源方量明显增多，为泥石流堆积物沿沟口拦挡坝内侧淤积所致。

为进一步分析流域内不同物源类型侵蚀程度，分别于沟口、流域下游以及流域中游布置A-A’、BB’、C-C’三条剖面，对比分析三条剖面在泥石流发生前后地形变化（图6）。图7 为位于该沟沟口的AA’剖面图，由该剖面可知，该处主沟道右侧斜坡现有地形下切深度约2～3 m，为崩滑堆积物源受流水冲刷侧蚀所致，主沟道沟口位置的新近泥石流堆积物厚度仅0.5 m 左右，根据野外调查结果，发现沟口的新近泥石流堆积物厚度较薄。这是因为新建的拦挡坝高度约为10～15 m，同时主沟道较窄，导致拦挡坝内侧的库容较小，当发生较大规模的泥石流后，为了确保泥石流治理工程的正常运行，需要对沟口的新近泥石流堆积物进行人工清淤，经过人工清淤后，沟口新近泥石流堆积物的厚度也就相对较薄（图8）。

图7 A-A'剖面示意图Fig.7 A-A'section

图8 沟口物源变化野外验证照片Fig.8 Field verification photos of provenance changes in gully mouth

图9 为流域下游处的B-B’剖面图，该剖面所处斜坡地形在泥石流发生前后的变化较小。主沟道和左侧局部斜坡仅经历轻微下切，沟道堆积物源和左侧斜坡的坡面堆积物源分布明显。受泥石流活动影响，该处沟道物源以及坡面物源整体发生侵蚀，侵蚀厚度多在0.2～0.5 m。

图9 B-B’剖面示意图Fig.9 B-B'section

流域中游处的C-C’剖面如图10 所示，该剖面位于流域中游，切割了多处坡面堆积物源和崩滑堆积物源。整体来看，该剖面所处斜坡在泥石流发生前后的地形基本没有明显变化。然而，可以观察到坡面物源和崩滑物源的分布位置有轻微下切的迹象，坡面物源下切侵蚀厚度一般多为0.2～0.5 m，崩滑物源下切侵蚀厚度为1～2 m。

图10 C-C’剖面示意图Fig.10 C-C'section

根据野外调查，受森林大火影响，该泥石流流域内植被覆盖相对较差，坡面物源分布较为广泛，主沟道中下游多处可见坡面物源以及沟道物源下切侵蚀迹象分布，厚度一般多在1 m 以内，流域中游局部可见崩滑堆积体发育，堆积体受流水侵蚀冲刷作用，局部发育新近次级溜滑，溜滑体参与泥石流活动，厚度多在1～2 m 不等。该泥石流物源侵蚀变化程度野外验证结果与室内解译分析结果基本一致（图11）。

3.3 火后泥石流成因与发展趋势分析

根据之前的描述，基于机载LiDAR 技术对邛海水厂后山冲沟泥石流调查分析，结果显示该流域内过火面积达65%。大火导致区内斜坡表部分布大量灰烬以及扰动的碎块石土松散层所构成的坡面堆积物源。泥石流物源的启动以灰烬层和松散堆积层的侵蚀为主（厚度多在0.5 m 以内），随着水流携带的灰烬、泥沙等裹挟量的逐渐增多，流体进入主沟道侵蚀能力逐渐增强，加之主沟道纵比降较大，沟道堆积物也将不断下切侵蚀（现场调查沟道堆积物源下切侵蚀深度多在1～2 m）。崩滑堆积物源往往也是随着主沟道侵（刨）蚀坡脚形成临空面（现有调查临空面高度多在2～3 m），进而产生次级溜滑启动。最终，坡面堆积物源、沟道堆积物源以及崩滑堆积物源依次启动，形成火后泥石流运动。

虽然该流域内坡面堆积物源厚度一般仅在0.5 m 以内，但由于分布面积较为广泛，导致区内坡面堆积物源储量仍较大。同时，由于火烧后泥石流灾害的频发，强大的冲击力和磨蚀力使得主沟道遭受反复的下切和侧视，崩滑堆积体的临空面不断增高，呈逐级牵引后退式发育，区内崩滑堆积物源也将不断增多。因此，在今后一段时期内，邛海水厂后山冲沟泥石流演化趋势仍以高频泥石流为主。

4 讨论与结语

目前，机载LiDAR 技术在地质灾害调查中的应用更多是发挥了机载LiDAR 技术“穿透植被”的优势，利用单期次数据呈现植被覆盖下的地表形态以及微地貌特征，从而精细化地识别滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害隐患。除此之外，多期次机载LiDAR 高精度DEM 数据差分叠加分析能够掌握灾害体的各种变形特征，从而准确评估地质灾害的现状以及发展趋势，是机载LiDAR 技术在地质灾害调查研究中的另一个重要研究方向。

根据前文研究可知，误差在多期次高精度DEM 数据的叠加分析中是必然存在的，但在采用相同的无人机飞行系统、数据采集系统、飞行参数、GPS 基站等，并确保点云数据密度和精度的前提下，选择“线性匹配”或者“不动剖面匹配”等配准方式将多期次DEM 配准后，再进行差分计算，能够最大程度地避免数据误差对分析结果的影响。本文采用机载LiDAR 技术构建了西昌市某泥石流沟的高精度数字高程模型，雨季前后两期次数字高程模型的差分叠加结果与野外验证情况基本一致，最大程度地反映了流域内物源的动态变化情况，以及该沟火后泥石流的成因与发展趋势，应用效果较为理想。主要结论如下：

（1）采用机载LiDAR 技术构建泥石流暴发前后的高精度数字高程模型，并在此基础上建立物源侵蚀估算模型，能够精确掌握泥石流物源动态变化情况。该技术手段能够克服在评估泥石流物源侵蚀情况和估算动储量时，采用传统经验公式法容易导致结果出现偏差的缺陷。

（2）经久乡森林火灾导致邛海水厂后山冲沟流域过火面积达65%，流域内主要发育坡面堆积物源、崩滑堆积物源以及沟道堆积物源三类物源，雨季期间泥石流物源侵蚀减少量为12 209 m3，物源侵蚀变化区呈分布区域广、数量多、散状发育的特点。泥石流物源的启动以灰烬层和松散堆积层构成的坡面堆积物源侵蚀为主，侵蚀厚度多在0.5 m 以内。由于坡面物源分布广泛，该沟流域内物源储量较大，在今后一段时间内，邛海水厂后山冲沟泥石流将以高频泥石流为主。